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Was ist CARS-Spektroskopie? Warum ist sie so besonders?
Im heutigen wissenschaftlichen Bereich hat sich die CARS-Spektroskopie (kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie) mit ihren einzigartigen Vorteilen in der chemischen und physikalischen Forschung etabliert. Diese Technologie wird hauptsächlich verwendet, um Schwingungssignale von Molekülen zu erkennen, ähnlich der traditionellen Raman-Spektroskopie, aber ihre Empfindlichkeit und Signalstärke sind denen der ersteren weit überlegen. Bei der CARS-Spektroskopie kommt eine Mehrphotonentechnologie zum Einsatz, die klarere Molekülbilder liefert und so in vielen Forschungsbereichen zu einem wichtigen Werkzeug wird.
Historischer HintergrundDie CARS-Spektroskopie ist ein nichtlinearer optischer Prozess dritter Ordnung, der auf der Wechselwirkung dreier Laserstrahlen beruht.
Die CARS-Spektroskopie wurde erstmals 1965 vorgeschlagen, als P. D. Maker und R. W. Terhune von der Ford Motor Company eine Studie zu diesem Phänomen veröffentlichten. Sie verwendeten gepulste Rubinlaser, um die Reaktion dritter Ordnung verschiedener Materialien zu untersuchen, und beobachteten, dass ein blauverschobenes CARS-Signal erzeugt wurde, wenn sich die Pulse der beiden Strahlen räumlich und zeitlich überlappten. Diese Technik erhielt 1974 von Begley et al. an der Stanford University den Namen „CARS-Spektroskopie“.
Grundprinzipien
Das Funktionsprinzip der CARS-Spektroskopie kann durch klassische und quantenmechanische Modelle erklärt werden. Klassischerweise kann man ein Molekül als einen (gedämpften) Oszillator mit einer charakteristischen Frequenz ωv betrachten. Bei CARS wird dieser Oszillator durch die Frequenzdifferenz zwischen dem Pumpstrahl und dem Stokes-Strahl angetrieben. Dieser Antriebsmechanismus ähnelt der Empfindlichkeit des Ohrs gegenüber Frequenzunterschieden zwischen zwei unterschiedlichen Tönen auf einem Klavier.
Vergleich von CARS- und Raman-SpektroskopieBeim CARS-Prozess wird das Molekül durch den Pumpstrahl zunächst in einen virtuellen Zustand angeregt, der kein Eigenzustand des Moleküls ist, sondern Übergänge in andere reale Energieniveaus ermöglicht.
CARS und Raman-Spektroskopie weisen bei der Untersuchung der Schwingungsmodi von Molekülen Ähnlichkeiten auf, es gibt jedoch auch erhebliche Unterschiede. CARS erfordert zwei gepulste Laserquellen, während für die Raman-Spektroskopie nur ein einziger Dauerstrichlaser (CW) erforderlich ist. Da das CARS-Signal auf der blauen Seite beobachtet wird, steht es nicht in Konkurrenz zum Fluoreszenzphänomen, was CARS in praktischen Anwendungen vorteilhafter macht.
Anwendungsbereiche
CARS-Mikroskopie
CARS hat ein breites Anwendungsspektrum in der speziesselektiven Mikroskopie und der Verbrennungsdiagnostik, insbesondere im Bereich der nicht-invasiven Bildgebung in biologischen Proben. Viele Forscher verwenden die CARS-Mikroskopie zur Beobachtung von Lipiden in biologischen Proben und stellen damit eine neue Methode für das Studium der Biologie bereit.
Verbrennungsdiagnose
Die CARS-Spektroskopie wird auch zur Temperaturüberwachung von Gasen und Flammen eingesetzt, da ihr Signal eine nichtlineare Abhängigkeit von der Temperatur aufweist. Das CARS-Signal spiegelt den thermischen Zustand des Systems wider, da es mit der Anzahl der Teilchen im Grundzustand und in schwingungsangeregten Zuständen zusammenhängt.
Andere Anwendungen
Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungen wird die CARS-Technologie derzeit für den Einsatz in Bereichen der Sicherheitsüberwachung entwickelt, beispielsweise zur Erkennung von Bomben am Straßenrand. Dies unterstreicht seinen potenziellen Wert für die öffentliche Sicherheit.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die CARS-Spektroskopie aufgrund ihrer überlegenen Signalintensität und hohen Empfindlichkeit gegenüber Molekülschwingungsmodi zu einer wichtigen Technologie in der aktuellen Forschung geworden ist. Werden wir im Zuge der Weiterentwicklung der Technologie künftig Anwendungsmöglichkeiten in mehr Bereichen sehen?
